纳米线阵列结构Lu2SiO5:Ce硬X射线闪烁转换屏研究

With the development of inertial confinement fusion, x-ray especially hard x-ray imaging with synchrotron radiation and so on in our country, the scintillation conversion screen used in x-ray imaging not only is required to have high sensitivity, fast response, but also is required to have a high spatial resolution. When a x-ray conversion screen have nanowire array structure perpendicular to its surface, the scintillation light can be guided to propagate along a direction of nanowire, so that the spatial resolution of the conversion screen can be effectively improved. The research on this aspect is just beginning in the world. LSO:Ce has high light yield, fast decay time and good radiation hardness and is an ideal material for the preparation of scintillation screen. The project intends to develop a LSO:Ce scintillation screen with nanowire array structure which can has a characteristics of high spatial resolution, high sensitivity and fast response and can be used for x-ray imaging when Ex > 10keV by sol-gel AAO template method. It is expected to make a breakthrough in the preparation of the scintillation screen with nanowire array structure and the characteristics of spatial resolution, detection sensitivity and decay time by structure design, doping, sample preparation, characterization, etc.. We look forward to finding a new way to develop x-ray conversion screens with good performance in spatial resolution, detection sensitivity and decay time, thereby facilitating x-ray imaging in our country.

随着我国激光惯性约束聚变实验的发展和同步辐射X射线特别是硬X射线成像技术等的发展和应用，除要求用于X射线成像的闪烁转换屏具有高灵敏、快响应的特性外，还要求其具有更高的空间分辨率，具有纳米线阵列结构的闪烁转换屏可引导闪烁光沿纳米线方向传播，从而有效提高转换屏的空间分辨率，这方面的研究国际上才刚起步。LSO:Ce具有高灵敏、快响应、耐辐射等特点，是制备闪烁转换屏的理想材料。本项目拟采用AAO模板辅助的Sol-gel方法，研究和开发一种基于LSO:Ce的兼有高分辨、高灵敏、快响应特性的纳米线阵列结构硬X射线闪烁转换屏，通过LSO:Ce转换屏的结构设计、掺杂改性、样品制备和性能表征等，以期在纳米线阵列结构闪烁转换屏的研制，转换屏空间分辨率、探测灵敏度、发光衰减时间等综合闪烁性能方面取得突破，并为具有高分辨、高灵敏、快响应X射线闪烁转换屏的研究和开发提供一条新的途径，促进我国X射线成像事业的发展。

追求更高的X射线成像分辨率是闪烁屏研究的一大方向。鉴于闪烁光的侧向传播，普通的闪烁屏很难同时兼顾高探测效率和高成像分辨率的要求，为此开展了结构化闪烁屏的研究。经基金委审核通过将工作拓展至镥化物等具有与LSO:Ce闪烁性能相近或突出闪烁性能的材料。主要有：1. 深化了不同浓度掺杂离子在LSO:Ce中的占位以及占位对氧空位影响的认识，为提高其闪烁性能提供了依据；运用Sol-Gel法，在AAO模板孔道内成功地填充了致密的LSO:Ce前驱体，但在升温晶化中出现了纳米线塌缩和AAO参与反应的现象。2. 通过模特卡罗模拟，获得了以AAO为模板的LuAG:Ce闪烁屏的结构和反射层与其X射线成像性能间的量化关系，率先采用Sol-Gel法开展了结构化闪烁屏的研究，通过Sol-Gel和真空熔融压力注入法，以AAO为模板成功研制出填充致密、结构完整的LuAG:Ce、Lu2O3:Eu和γ-CuI闪烁屏，通过改进工艺和掺杂改性优化了闪烁性能；周期为450nm、线径为350nm、屏厚为60μm的LuAG:Ce和Lu2O3:Eu闪烁屏系统X射线成像的分辨率分别达38 lp/mm和 56 lp/mm，远优于无结构的闪烁屏。3. 通过模特卡罗模拟，获得了以表面氧化的硅孔阵列为模板的CsI(Tl)闪烁屏的微柱形状、排列结构和周期与其X射线成像性能间的量化关系；通过模板引导的电化学法，研制出了深宽比大、孔洞排列结构和周期可调的表面氧化的硅孔阵列模板，发展了真空熔融压力注入法，运用该方法研制出了填充致密、具有不同排列结构的CsI和γ-CuI闪烁屏，通过改进工艺和掺杂改性优化了闪烁性能，周期为4μm、屏厚为100和80μm的结构化CsI和γ-CuI闪烁屏系统X射线成像的分辨率分别达114 lp/mm和38 lp/mm，远优于无结构的闪烁屏，综合成像性能属同类闪烁屏最好水平。4. 在AAO孔道内壁研制出较理想的全反射SiO2纳米管，为基于AAO模板的更高性能的闪烁屏的研发提供了支撑。